La energía

Nivel: introductorio

1. Un universo cambiante

En cada instante un cuerpo se caracteriza por unas propiedades físicas, unas propiedades químicas y un estado de movimiento.

Un cuerpo experimenta un cambio cuando alguna de esas características es distinta a la que tenía antes.

1.1 Tipos de cambios

Cambios físicos: deformación, rotura, dilatación, contracción, cambios de estado (sólido ↔ líquido ↔ gas). La sustancia no cambia.
Cambios químicos: una reacción transforma unas sustancias en otras.
Cambios de movimiento: el cuerpo se acelera, se detiene, gira… (cualquier aceleración).

2. Concepto de energía

Energía = capacidad de un cuerpo para cambiar o para producir cambios en otros cuerpos.

A más energía, mayor capacidad de provocar cambios.

2.1 Unidades de energía

Unidad	Símbolo	Equivalencia
Julio (SI)	J	unidad fundamental
Kilojulio	kJ	10³ J
Caloría	cal	1 cal = 4,184 J
Kilocaloría	kcal	1 kcal = 1 000 cal = 4 184 J
Kilovatio·hora	kWh	1 kWh = 3 600 000 J = 3 600 kJ

Una caloría es la energía necesaria para subir 1 °C la temperatura de 1 g de agua.

3. Energía y cambio

Los cambios pueden ser:

Forzados (no espontáneos): ocurren solo si dos cuerpos interaccionan e intercambian energía.

Ejemplo: subir un paquete con una polea — debemos ceder energía tirando de la cuerda.
Espontáneos: ocurren por sí solos cuando un cuerpo aprovecha la energía de la que ya dispone.

Ejemplo: el paquete cae al soltarlo, gracias a su energía potencial.

4. Tipos fundamentales de energía

Toda forma de energía puede expresarse como una combinación de:

4.1. Energía cinética (Eᶜ)

Asociada al movimiento. Cuanto mayor la masa y la velocidad, mayor su energía cinética.

E_c = ½ · m · v²

donde m está en kg, v en m/s y E_c en J.

4.2. Energía potencial (E_p)

Almacenada por composición, posición o forma. Puede liberarse.

Las plantas almacenan energía potencial química mediante la fotosíntesis.

5. Formas de energía

La combinación de cinética y potencial origina las distintas formas de energía que vemos a diario.

5.1 Energía mecánica

Suma de la cinética + potencial gravitatoria.

E_m = E_c + E_p

Cinética: E_c = ½ · m · v²
Potencial gravitatoria: E_p = m · g · h (g = 9,8 m/s² en la Tierra; h = altura en m)

Caída libre: la energía potencial se transforma en cinética.

5.2 Energía térmica

Energía cinética asociada al movimiento de las partículas que forman la materia. Está relacionada con la temperatura.

5.3 Energía química

Energía potencial almacenada en los enlaces entre átomos. Se libera/absorbe en reacciones químicas (combustión, respiración celular…).

5.4 Energía nuclear

Energía potencial que mantiene unidos protones y neutrones en el núcleo atómico. Se libera en reacciones nucleares (fisión, fusión).

5.5 Energía sonora

Energía cinética de una vibración de la materia. Necesita medio material; no se propaga en el vacío.

5.6 Energía radiante

Energía de las ondas electromagnéticas (luz, infrarrojos, microondas, rayos X…). Sí se propaga en el vacío.

5.7 Energía eléctrica

Asociada a las cargas eléctricas: cinética si están en movimiento (corriente), potencial si están almacenadas (condensador).

5.8 Energía magnética

Asociada a cuerpos con propiedades magnéticas (imanes).

6. La ley de conservación de la energía

La energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma, se transfiere o se transporta.

La energía total del Universo se conserva: si un cuerpo gana, otro pierde.

7. Transformación, transferencia y transporte

Proceso	¿Qué sucede?	Ejemplo
Transformación	Cambia la forma de la energía	Fotosíntesis: radiante → química
Transferencia	Pasa de un cuerpo a otro	Pedalear: mecánica de las piernas → engranajes
Transporte	Cambia de lugar	La luz solar viaja por el espacio

Estos tres procesos se encadenan habitualmente.

8. Degradación de la energía

Aunque la energía no se destruya, en cada transformación una parte se vuelve inútil: se degrada, normalmente en forma de calor disipado.

Por eso hay formas de energía más útiles que otras y debemos usarla con responsabilidad.

9. Calor y trabajo

Son los dos procesos por los que se transfiere energía:

9.1 Trabajo (W)

Transferencia de energía debido a una fuerza que provoca un desplazamiento.

W = F · d (cuando F y d tienen la misma dirección)

W > 0 → el cuerpo gana energía (F y d en el mismo sentido).
W < 0 → el cuerpo pierde energía (F y d en sentidos opuestos).
W = 0 → no hay desplazamiento o F ⟂ d.

Unidad: 1 J = 1 N · 1 m.

9.2 Calor (Q)

Transferencia de energía térmica desde un cuerpo hacia otro de menor temperatura.

Importante: calor y trabajo NO son formas de energía, son procesos de transferencia. Un cuerpo no “tiene calor”, tiene energía térmica.

10. Diagramas de flujo de energía

Sirven para representar gráficamente cómo se transforma y transfiere la energía:

Cuerpos que interaccionan.
Formas de energía.
Procesos: transformación, transferencia, transporte y degradación.

Cadena de transformación: Sol → planta → animal.

11. Máquinas simples

Máquina: dispositivo que transforma, transfiere o transporta energía para lograr un fin.

Las máquinas simples más antiguas:

Palanca: barra rígida que pivota sobre un punto fijo. Multiplica fuerza si se aplica en el brazo largo.
Rueda: disco que gira sobre un eje; reduce la fricción.
Polea: rueda acanalada por la que pasa una cuerda; cambia la dirección o reduce la fuerza necesaria.
Plano inclinado: superficie en pendiente; permite elevar pesos con menor fuerza.
Cuña: pieza triangular que concentra la fuerza en una arista.
Tornillo: plano inclinado enrollado sobre un cilindro; convierte rotación en avance lineal.

Tres máquinas simples que multiplican la fuerza.

12. Rendimiento energético

Rendimiento (η) = porcentaje de energía consumida que se transforma en energía útil.

                   E_útil
   η (%)  =   ─────────────  · 100
                E_consumida

Ninguna máquina alcanza el 100 %, porque parte de la energía siempre se degrada (rozamientos, calor…).

13. Fuentes de energía

Fuente de energía: recurso o proceso natural del que extraemos energía útil.

Fuente	Forma de energía
Combustibles fósiles	Química
Sustancias radiactivas	Nuclear
Agua embalsada	Mecánica
Viento	Mecánica
Sol	Radiante
Calor de la Tierra	Térmica
Mareas	Mecánica
Biomasa	Química

13.1 Fuentes no renovables

Recursos limitados que pueden agotarse.

Combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas natural): formados por acumulación de restos orgánicos en millones de años.
Sustancias radiactivas (uranio, plutonio): se aprovechan en centrales nucleares por fisión.

13.2 Centrales eléctricas no renovables

Comparativa de centrales térmica y nuclear.

En la térmica se libera CO₂ por la combustión. En la nuclear no se libera CO₂, pero se generan residuos radiactivos muy peligrosos.

13.3 Fuentes renovables

Recursos que no se agotan al ritmo en que los usamos.

Hidroeléctrica (agua embalsada): E_p gravitatoria → E_c → eléctrica.
Eólica (viento): E_c del aire → eléctrica.
Solar:
- Fotovoltaica: radiante → eléctrica directamente.
- Térmica: radiante → térmica (calienta agua).
Geotérmica: calor del subsuelo → eléctrica/calefacción.
Mareomotriz: movimiento de las mareas → eléctrica.
Biomasa: química (combustión de materia orgánica) → eléctrica/calor.

Dependen de las condiciones geoclimáticas y aportan energía a un ritmo más lento que las no renovables.

Fórmulas clave

E_c = ½ · m · v²            (Julios)

E_p = m · g · h             (g = 9,8 m/s² en la Tierra)

E_m = E_c + E_p

W = F · d                   (J cuando F en N y d en m)

η (%) = (E_útil / E_consumida) · 100

1 cal = 4,184 J
1 kWh = 3 600 000 J